一种微型压电马达弹片结构及其测试装置和方法

技术领域

本发明属于压电马达驱动及测试技术领域，涉及一种微型直线压电马达的弹片结构及其测试装置和方法。

背景技术

直线压电马达的工作原理基于逆压电效应，压电陶瓷在电场作用下，会产生机械变形，通过压电马达上驱动足与摩擦片之间的摩擦产生驱动力，实现直线运动和力的输出。预压力和压电马达的工作性能之间存在密切联系，适当的预压力可以提高压电马达的输出性能、响应速度和可靠性。

压电马达实际工作时，一方面在电场作用下，压电陶瓷会发生伸缩、剪切、弯曲等高频振动，另一方面压电马达及其相关模组在加工、装配过程中的误差，都会导致弹片形变量变化而引起预压力改变，打破了弹片弹性形变的稳定状态，间接导致了弹片提供给压电马达的预压力忽大忽小，过大或过小的预压力都可能导致压电马达性能下降或损坏。

传统的弹片设计通常采用平面结构或借助弹簧等元件来提供预压力，这些设计往往面临提供预压力不合适、无法调整、性能不稳定等问题，长期使用后还会产生疲劳损坏和塑性变形，导致压电马达无法长期在合适的预压力条件下工作，严重影响压电马达的驱动性能和效率。因此，在应用压电马达时，必须要合理的设计相关的弹片，确保压电马达在长期使用过程中保持稳定的预压力。

发明内容

为解决传统平面结构弹片或弹簧等元件无法提供合适且稳定预压力问题，本发明提出一种对称式折弯弹片的设计方案。通过优选材料、合理设定厚度及恰当设计折弯角度，以优化弹片设计，满足弹片形变量在一定范围内，该弹片接近“零刚度”，所谓的“零刚度”是指弹片的变形量在一定范围内，弹片提供的预压力稳定在很小的变化区间内，如附图8，弹片的形变量在L1～L2区间内，弹片提供的预压力稳定在F1～F2区间内，本发明所用“零刚度”均为此意。在工作条件下，将压电马达连同弹片在垂直方向上的微小位移，转移到平面与折弯面之间的转动位移，以此来补偿弹片在垂直方向上的形变量所带来力的变化，使得弹片所提供的预压力保持稳定。

为达到上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种微型压电马达弹片，该弹片整体为条形对称式折弯结构，其中一侧结构的设计方式为：第一安装面320为弹片3的安装平面，其位于弹片3端部，第一安装面320上设置有第一安装孔311和第二安装孔312；弹片3中间区域用于安装压电马达，中间区域上的第一端部贴合面326与第一安装面320之间，采用折弯的设计方式，增加第一折弯面321、第一下层面322和第二折弯面323；第一安装面320与第一折弯面321形成第一折弯角330，第一折弯面321与第一下层面322形成第二折弯角331，第一下层面322与第二折弯面323形成第三折弯角332，第二折弯面323与第一端部贴合面326形成第四折弯角333。所述第二折弯角331为133°～137°、第一折弯角330为125°～145°、第三折弯角332为130°～140°、第四折弯角333为120°～140°，合理设计弹片的折弯角度，可以提高弹片的弹性性能和稳定性。

所述的弹片3上进行多处镂空处理，通过优化镂空区域的位置和大小，有效降低了弹片的刚度，并通过设计镂空区域的形状，减少了弹片形变时的应力集中。

进一步的，弹片3上的镂空处理具体为：在第一下层面322上设计半圆形第一镂空区313，第一镂空区313的直径为第一下层面322宽度的1/2～2/3。弹片3中间区域设置第三镂空区314，第三镂空区314的形状为方形，其长和宽的尺寸为中间区域的0.7～0.8倍；第三镂空区314的角落处设有圆角334。

进一步的，所述的弹片3的整体厚度一致，弹片厚度为0.04～0.06mm。在受力作用下，弹片3的形变量L1～L2的区间为0.08～0.20mm，在此范围内接近“零刚度”，此时弹片3所提供的预压力F1～F2的区间为450～550mN。在确保条形对称式折弯设计的基础上，通过调整弹片3的长宽、厚度以及折弯角度，可产生不同的稳定预压力。

进一步的，所述的弹片3的材料包括铍铜。

一种上述微型压电马达弹片的测试装置，包括摩擦片1、压电马达2、弹片3、弹片底座4、压力传感器5和精密升降台6。

所述的摩擦片1由压电马达2所驱动，在本发明中起到摩擦作用，该摩擦片1还包括其他与摩擦片相互关联的物体。摩擦片1材料包括但不限于氧化铝陶瓷，摩擦片材料需具有高耐磨性、耐高温性、耐酸碱腐蚀性、轻质性和广适性等优点。

所述的压电马达2材料为压电陶瓷，通过压电陶瓷的逆压电效应，将电能转换为压电马达2的振动能，然后通过其表面第一驱动足20和第二驱动足21输出速度与力。工作时，将压电马达2与弹片3进行贴合，通过弹片3的弹性变形提供合适且稳定的预压力。

所述的弹片底座4安装在精密升降台6上，为弹片安装提供定位支撑作用。弹片底座4的中间区域进行下沉处理，下沉区域43既方便弹片与弹片底座之间的灵活装配，又不对弹片的受力形变产生干扰。弹片底座4的两端上表面为弹片安装面40，其上设有第一安装点41和第二安装点42，二者分别与弹片3的第一安装孔311和第二安装孔312配合将弹片3安装在弹片底座4上。

所述的精密升降台6的最小分度值为0.01mm，用于控制弹片底座4在垂直方向上的运动，以实现弹片预压力的施加或释放。

所述的压力传感器5安装在弹片底座4与精密升降台6之间；工作条件下，实时读取压电马达2的预压力，用以验证弹片所提供的预压力是否稳定。

一种采用上述微型压电马达弹片测试装置测试预压力的方法，包括以下步骤：

为了方便分析弹片3对压电马达2施加预压力的整个流程，假定弹片3对压电马达2提供预压力的方向始终在垂直方向上；假定摩擦片1水平放置，所处的位置始终保持不动；假定弹片底座4、压力传感器5、精密升降台6均进行水平装配；通过调整精密升降台6的微分头，即可以实现弹片底座4在垂直方向的上下运动，实现弹片3对压电马达2施加预压力或撤去预压力。

S1、压电马达及弹片的定位与安装

在装配时遵循自下而上的装配原则，先在水平工作台上固定精密升降台6；在精密升降台6上表面的中间区域依次固定压力传感器5和弹片底座4；将弹片3定位安装在弹片底座4上，在弹片3上完成压电马达2的安装；最后完成摩擦片1与压电马达2的定位贴合，实现各个器件之间的定位与安装。

具体地，摩擦片1与压电马达2的上表面保持平行，摩擦片1与压电马达2上表面两个驱动足相接触。弹片3的第一端部贴合面326和第二端部贴合面327通过粘胶与压电马达2的底面端部进行固定，而弹片3的第一侧边贴合面324和第二侧边贴合面325，则与压电马达2的底面保持活动状态，以实现弹片灵活的形变。

S2、施加预压力

施加预压力初始阶段，摩擦片1与压电马达2上表面的两个驱动足保持刚接触状态，此时，压电马达2与摩擦片1之间并无挤压力，读取精密升降台6上微分头的刻度数值。

施加预压力过程中，通过调节精密升降台6的微分头，实现弹片底座4在垂直方向上进行小位移向上运动，由于摩擦片1所处的位置始终保持不变，所以摩擦片1会受到压电马达2上表面第一驱动足20和第二驱动足21的挤压作用。随着预压力增大，第一侧边贴合面324和第二侧边贴合面325逐渐向内凹陷变形，与压电马达2的下表面开始分离，与之同时，第一下层面322相对第一折弯面321向下弯曲变形，第二折弯角331逐渐增大。

S3、检测预压力

当压力传感器5的数值与压电马达2的工作预压力匹配时，停止调节微分头，使精密升降台6停止在垂直方向上的运动，以保证摩擦片1与弹片底座4之间的相对位置不发生改变。随后给压电马达2施加电信号，在电场作用下，压电陶瓷会发生伸缩、剪切或弯曲等高频振动，驱动足与摩擦片1之间产生挤压摩擦作用，通过实时读取压力传感器5上的数值，可以在工作条件下判断弹片3是否能够提供稳定的预压力。

进一步的，通过设计具有对称式折弯结构的弹片，解决了压电马达在工作条件下预压力不稳定问题，具体描述为：正常工作条件下，因压电马达2的高频振动，当压电马达2连同弹片3在垂直方向上产生向下的微小位移时，此时第一下层面322相对第一折弯面321向下弯曲变形，第二折弯角331会逐渐变大；当压电马达2连同弹片3在垂直方向上产生向上的微小位移时，此时第一下层面322相对第一折弯面321向上弯曲变形，第二折弯角331会逐渐变小，以此来补偿压电马达2连同弹片3在垂直方向上的微小位移，满足弹片3在一定形变范围内所提供的预压力保持稳定。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明通过设计具有对称式折弯结构的弹片，解决了压电马达在工作条件下，驱动足与摩擦片挤压摩擦导致压电马达及弹片产生上下方向微小位移，影响弹片提供给压电马达的预压力稳定性的问题。折弯结构的设计使得压电马达和弹片在上下方向的微小位移能够被转移到折弯面之间的弯曲转动，从而在一定的变形范围内保持弹片提供的预压力不变，提升了压电马达的输出性能。

附图说明

图1是本发明提供的微型压电马达弹片测试装置的装配示意图。

图2是本发明提供的压电马达三维示意图。

图3是本发明提供的弹片三维示意图。

图4是本发明提供的弹片俯视图。

图5是本发明提供的弹片剖视图。

图6是本发明提供的弹片底座三维示意图。

图7是本发明提供的压力传感器与精密升降台三维示意图。

图8是本发明提供的预压力F与弹片变形量x的曲线关系图。

图中：1摩擦片；2压电马达；3弹片；4弹片底座；5压力传感器；6精密升降台；20第一驱动足；21第二驱动足；310安装标识孔；311第一安装孔；312第二安装孔；313第一镂空区；314第三镂空区；320第一安装面；321第一折弯面；322第一下层面；323第二折弯面；324第一侧边贴合面；325第二侧边贴合面；326第一端部贴合面；327第二端部贴合面；330第一折弯角；331第二折弯角；332第三折弯角；333第四折弯角；334圆角；40弹片安装面；41第一安装点；42第二安装点；43下沉区域。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

如附图1所示，本实施例提供了一种微型压电马达弹片的测试装置，包括：摩擦片1、压电马达2、弹片3、弹片底座4、压力传感器5和精密升降台6。其中，精密升降台6固定在水平工作台上，精密升降台6上表面的中间区域依次固定压力传感器5和弹片底座4；弹片3定位安装在弹片底座4上，弹片3上安装压电马达2；摩擦片1与压电马达2定位贴合，实现各个器件之间的定位与安装。

如附图2，压电马达2上表面有两个驱动足，分别为第一驱动足20和第二驱动足21。在电场的作用下，压电马达2产生高频振动，导致第一驱动足20和第二驱动足21按照椭圆轨迹运动，从而驱动摩擦片1进行运动。

如附图3，所述弹片3为摩擦片1与压电马达2之间的相对运动提供合适且稳定的预压力。所述弹片3采用对称式折弯的设计方案，整体为条形对称式折弯结构；具体的设计方式为(弹片3为对称结构，在图中只对弹片3的一侧结构进行标注，另一侧设计方式与之一致)：第一安装面320为弹片的安装平面，其位于弹片3端部，第一安装面320上设有第一安装孔311和第二安装孔312；弹片3中间区域上安装压电马达2；中间区域的第一端部贴合面326与第一安装面320之间，采用折弯的设计方式，增加第一折弯面321、第一下层面322和第二折弯面323；第一安装面320与第一折弯面321形成第一折弯角330，第一折弯面321与第一下层面322形成第二折弯角331，第一下层面322与第二折弯面323形成第三折弯角332，第二折弯面323与第一端部贴合面326形成第四折弯角333。弹片3的折弯角度对其形变量也有较大的影响，第二折弯角331附近区域靠近弹片3两端的固定面，当弹片3整体向下凹陷变形时，第二折弯角331附近区域偏离原始位置的位移最大，所以第二折弯角331对弹片3的变形较敏感。本实施例中，设计第二折弯角331为135°、第一折弯角330为140°、第三折弯角332为135°、第四折弯角333为130°。

如附图3，弹片3上进行多处镂空处理，弹片3具体的镂空处理为：在第一下层面322上进行镂空处理，考虑到三角形或方形等镂空区域易导致应力集中，应选择弧形镂空区域，考虑到弹片受力变形时，第二弯折角331处的变形程度显著大于第三弯折角332处，故在第一下层面322上设计半圆形第一镂空区313，第一镂空区313的直径为第一下层面322宽度的4/7。弹片3中间区域与压电马达2的底部进行贴合，在中间区域设置第三镂空区314，第三镂空区314的形状为方形，其长和宽的尺寸为中间区域的0.75倍；第三镂空区314的角落处设有圆角334。对弹片3进行合理的镂空处理，通过优化镂空区域的位置和大小，有效降低了弹片3的刚度，并合理设计镂空区域的形状，改变了受力时的形变方式，调整了接触面积和压力分布，减少了变形时的应力集中。

所述弹片3材料选用铍铜，铍铜材料具有较高的强度，能够承受较大的变形，此外铍铜还具有较好的抗疲劳性能，可以承受长期反复的应力作用，满足压电马达在各种复杂工作条件下的性能要求。

所述弹片3的整体厚度一致，厚度为0.05mm；在受力作用下，弹片3的形变量L1～L2的区间为0.08～0.20mm，在此范围内接近“零刚度”，此时弹片3所提供的预压力F1～F2的区间为450～550mN。在确保条形对称式折弯设计的基础上，通过调整弹片3的长宽尺寸、厚度以及折弯角度，可产生不同的稳定预压力，在弹片的设计过程中，为了满足压电马达所需预压力的平衡与稳定，弹片材料的厚度需要进行精确控制。

如附图4，弹片底座4为弹片3提供定位支撑作用。其两端上表面为弹片安装面40，其上设有第一安装点41和第二安装点42，二者分别与弹片3的第一安装孔311和第二安装孔312配合将弹片3安装在弹片底座4上。所述弹片安装面40与弹片3的第一安装面320须保持水平贴合，防止弹片受力变形时，弹片底座的左右支撑面对其提供的支撑力不一致。弹片底座4的中间区域进行下沉处理，下沉区域43既方便弹片与弹片底座之间的灵活装配，又不对弹片的受力变形产生干扰。

如附图7，压力传感器5安置在弹片底座4与精密升降台6之间；工作条件下，对压电马达的预压力进行实时读取，用以验证弹片所提供的预压力是否稳定。精密升降台6最小分度值为0.01mm，用于控制弹片底座4在垂直方向上的运动，以实现弹片预压力的施加或释放。

一种采用上述微型压电马达弹测试装置进行测试的方法，包括以下步骤：

为了方便分析弹片3对压电马达2施加预压力的整个流程，假定弹片3对压电马达2提供预压力的方向始终在垂直方向上；假定摩擦片1水平放置，所处的位置始终保持不动；假定弹片底座4、压力传感器5、精密升降台6均进行水平装配；通过调整精密升降台6的微分头，即可以实现弹片底座4在垂直方向的上下运动，实现弹片3对压电马达2施加预压力或撤去预压力。

S1、压电马达及弹片的定位与安装

在装配时遵循自下而上的装配原则，先在水平工作台上固定精密升降台6；在精密升降台6上表面的中间区域依次固定压力传感器5和弹片底座4；将弹片3定位安装在弹片底座4上，在弹片3上完成压电马达2的安装；最后完成摩擦片1与压电马达2的定位贴合，实现各个器件之间的定位与安装。

具体地，摩擦片1与压电马达2的上表面保持平行，摩擦片1与压电马达2上表面两个驱动足相接触。弹片3的第一端部贴合面326和第二端部贴合面327通过粘胶与压电马达2的底面端部进行固定，而弹片3的第一侧边贴合面324和第二侧边贴合面325则与压电马达2的底面保持活动状态，以实现灵活的形变。

S2、施加预压力

如附图1所示的装配图，通过正确的装配关系，确认所有器件之间的连接均牢固可靠，没有出现任何松动或错位的情况，从而实现各个器件之间的定位与安装。

施加预压力初始阶段，摩擦片1与压电马达2上表面的两个驱动足保持刚接触状态，此时，压电马达2与摩擦片1之间并无挤压力，读取精密升降台6上微分头的刻度数值。

施加预压力过程中，通过调节精密升降台6的微分头，实现弹片底座4在垂直方向上进行小位移向上运动，由于摩擦片1所处的位置始终保持不变，所以摩擦片1会受到压电马达2上表面第一驱动足20和第二驱动足21的挤压作用。

施加预压力过程中，由于弹片3的第一安装面320与弹片底座4的弹片安装面40始终保持贴合，所以随着压电马达2向下施加的压力不断增大，弹片第一安装面320的形变可以忽略不计。

施加预压力过程中，虽然弹片3的第一折弯面321承受的应力较大，但第一折弯面321与第一安装面320相连接，接近弹片3两端的固定区域，使得第一折弯角330处的总体刚度较大。而且第一折弯面321主要承受的应力为拉伸应力，使得第一折弯面321相对于第一安装面320向下弯曲形变量较小，对弹片3整体向下的形变量影响较小。

施加预压力过程中，第一下层面322相对第一折弯面321向下弯曲变形，第二折弯角331逐渐增大。由于第一下层面322的宽度小于第一折弯面321、第二折弯面323，所以第二折弯角331附近区域的刚度较小，当弹片3向下凹陷形变时，第二折弯角331附近区域偏离原始位置的位移最大，在弹片3向下凹陷的形变量中居主导地位。

施加预压力过程中，第一侧边贴合面324和第二侧边贴合面325向内凹陷变形，与压电马达2的下表面开始分离，侧边贴合面的中间区域受力较大，靠近第一端部贴合面326和第二端部贴合面327区域受力较小。由于弹片3在中间区域设置了面积较大的第三镂空区314，导致该区域的整体刚度相对较低。因此，当弹片3受到外部力作用时，中间区域的形变主要集中在第一侧边贴合面324和第二侧边贴合面325上。而第一端部贴合面326和第二端部贴合面327则通过粘胶与压电马达2的底面端部进行固定，因此这些区域的受力形变相对较小。

S3、检测预压力

当压力传感器5的数值与压电马达2的工作预压力匹配时，停止调节微分头，使精密升降台6停止在垂直方向上的运动，以保证摩擦片1与弹片底座4之间的相对位置不发生改变。随后给压电马达2施加电信号，在电场作用下，压电陶瓷会发生伸缩、剪切或弯曲等高频振动，驱动足与摩擦片1之间产生挤压摩擦作用，通过实时读取压力传感器5上的数值，可以在工作条件下判断弹片3是否能够提供稳定的预压力。

通过设计具有对称式折弯结构的弹片，解决了压电马达在工作条件下预压力不稳定问题，具体描述为：正常工作条件下，因压电马达2的高频振动，当压电马达2连同弹片3在垂直方向上产生向下的微小位移时，此时第一下层面322相对第一折弯面321向下弯曲变形，第二折弯角331会逐渐变大；当压电马达2连同弹片3在垂直方向上产生向上的微小位移时，此时第一下层面322相对第一折弯面321向上弯曲变形，第二折弯角331会逐渐变小，以此来补偿压电马达2连同弹片3在垂直方向上的微小位移，满足弹片3在一定形变范围内所提供的预压力保持稳定。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。